Energetische Analyse von Nichtwohn- gebäuden im Bestand

Energetische Analyse von Nichtwohngebäuden im Bestand
BA Patrick Burggraf,
Hochschule Offenburg, (Foto);
Prof.-Dr.-Ing. Evgenia Sikorski,
Hochschule Offenburg;
Dr.-Ing. Doreen Kalz,
Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme ISE, Freiburg
Gebäude sind mit 35 %
am Endenergieverbrauch in
Deutschland entsprechend
2.940 PJ beteiligt. Das entspricht einem Ausstoß von 342
Mio. t CO2 für Raumheizung,
Klimakälte und Beleuchtung1.
Die Reduzierung dieses Anteils
ist ein wesentlicher Baustein
zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung und einer nachhaltigen
Energieversorgung. Innerhalb
der Europäischen Union treiben vor allem drei Richtlinien
die gemeinsamen Ziele voran:
die Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD), die Richtlinie zur
umweltgerechten Gestaltung
energiebezogener Produkte (Ecodesign; ErP) und die
Richtlinie zur Förderung der
Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen (RES)2.
In Deutschland ist die EPBD
durch die Energieeinsparverordnung (EnEV ) umgesetzt.
Sie definiert einen gesamtheitlichen Ansatz für Gebäude und legt Anforderungen an
70
deren Primärenergiebedarf
fest. Am 1. Oktober 2009 trat
die jüngste Novelle der nationalen „Energieeinsparverordnung“ (EnEV) – erstmals aufgelegt im Jahr 2002 – in Kraft:
Mit der EnEV 2009 haben sich
die primärenergetischen Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden deutlich verschärft.
Speziell im Gebäudebestand weist das Land BadenWürttemberg – wie fast alle
europäischen Regionen – erhebliches Energiesparpotential auf. Durch den Beschluss
der Energieeinsparverordnung wurde ein gesetzlicher
Grundstein zur sukzessiven
Verbesserung des energetischen Zustandes landeseigener Gebäude gelegt. Die
landeseigenen Gebäude von
Baden-Württemberg, dazu
gehören beispielsweise Schulen und Verwaltungsgebäude,
umfassen eine Nettogrundfläche von ca. 11,5 Mio m²
(Stand 2008)3. Die Aufteilung
dieser Gebäude nach dem Gebäudealter (Abbildung 1) zeigt
dabei ein erhebliches energetisches Einsparpotential im
Vergleich zum heutigen Standard. Ca. 78 % der bestehenden Landesgebäude wurden
bereits vor der Einführung der
ersten Wärmeschutzverordnung erbaut. Rund 40 % des
Endenergieverbrauches und
etwa 30% der gesamten CO2Emission des Landes BadenWürttemberg fallen allein auf
die Beheizung und die Warmwasserbereitung für den landeseigenen Gebäudebestand
ab. Eine Untersuchung des
Landes Baden-Württemberg
führte zu dem Ergebnis, dass
von den 11,5 Mio m² Nettogrundfläche ca. 9,5 Mio m²
ein durchschnittliches Einsparpotential durch Sanierungsmaßnahmen von 40 bis
50% aufweisen4. Dementsprechend formuliert die Landesregierung das Ziel, den Energiebedarf für Raumwärme
und Warmwasserbereitung
5 % 2 %
im Land von 103 TWh im Jahr
2007 auf 77 TWh im Jahr 2020
zu senken5.
Um ein Gebäude effektiv
sanieren zu können, ist eine
ausführliche Analyse der
energetischen Schwachstellen notwendig. Bei Nichtwohngebäuden, beispielsweise bei Verwaltungs- oder
Bürogebäuden, existieren
große wirtschaftliche Einsparpotenziale. Neben dem
Heizenergieverbrauch liegen
sie insbesondere beim elektrischen Energieverbrauch für
Beleuchtung, Lüftung, Klimatisierung und Arbeitshilfen.
Eine korrekte Bewertung des
energetischen Zustandes und
die Berechnung einzelner Verlustanteile sowie einzelner
Energiekennwerte sind aber
aufgrund komplexer Energieflüsse mit hohem Aufwand
verbunden. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen
des vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technology
geförderten Forschungsprojekts „Teilenergiekennwerte
von Nicht-Wohngebäuden“
(Förderkennzeichen 0327431J
1 Wietschel et. al (2010): Energietech-
nologien 2050 – Schwerpunkte für
Forschung und Entwicklung. ISISchriftenreihe „Innovationspotenziale“. Fraunhofer Verlag, Stuttgart.
2 BDH Studie Effiziente Systeme und
15 %
erneuerbare Energien: Technologieund Energieforum.
3 Finanzministerium Baden-Würt-
1978
temberg. Konzept zur energetischen
Sanierung und zum Einsatz erneuerbarer Energien bei landeseigenen
Liegenschaften, 2008.
1987-1995
1996-2002
4 Wirtschaftsministerium Baden-
ab 2003
Württemberg – Energiekonzept
2020 des Landes Baden-Württemberg. 2009, Stuttgart.
78 %
5 Wirtschaftsministerium Baden-
Abbildung 1: Aufteilung des Gebäudebestandes landeseigener Gebäude von Baden-Württemberg nach deren Baualtersklasse (Stand
2008). Quelle: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg-Energiekonzept 2020 des Landes Baden-Württemberg. 2009, Stuttgart.
Württemberg- Energiekonzept 2020
des Landes Baden-Württemberg.
2009, Stuttgart.
6
Institut Wohnen und Umwelt
GmbH (IWU) Darmstadt.
Webseite: tektool.iwu.de.
BHKS-Almanach 2012
Technische Trends und Normung
Teilenergiekennwerte)6 Werkzeuge für die energetische
Analyse von bestehenden
Nichtwohngebäuden entwickelt. Das Projekt zielt darauf
ab, eine Analyse der energetischen Schwachstellen eines
Gebäudes durchzuführen und
daraus resultierend erste Modernisierungsempfehlungen
zu treffen.
Vom Institut für Wohnen
und Umwelt in Darmstadt
(IWU) wurde unter Mitwirkung des Fraunhofer-Instituts
für Solare Energiesysteme
(ISE) ein Tool „TEK-Tool“ (von
TeilEnergieKennwerte) entwickelt, um Bestandsgebäude
ohne die zeitintensive Eingabe detaillierter Gebäudeparameter auf der Grundlage der
DIN V 18599 energetisch zu
bewerten.
Im TEK-Tool werden den
Energiekennwerten der einzelnen Gewerke also Heizung
und Warmwasser, Kälte, Beleuchtung, Luftförderung,
Dampf und Hilfsenergien
Vergleichswerte aus der EnEV
2009 gegenübergestellt, um
das Gebäude mit dem heutigen Standard vergleichen zu
können. Darauf aufbauend
können anschließend, Sanierungsvorschläge gemacht
werden. Voraussetzung für
die Bewertung im TEK-Tool
sind Verbrauchsmesswerte für
Strom und Wärme, die entweder aus der Verbrauchserfassung oder über eine Kurzzeitmessung mit anschließender
Hochrechnung gewonnen
werden. Für die Hochrechnung von Jahreswerten aus
Kurzzeitmessungen wurden
am Fraunhofer ISE im Rahmen des Projektes Methoden
entwickelt.
Das TEK-Tool wird zurzeit
an 75 Gebäuden auf ihre Praxistauglichkeit getestet und
entsprechend validiert. Eines
der untersuchten Gebäude ist
das aus den 70er-Jahren stammende Kollegiengebäude II
(KG II) der Pädagogischen
Hochschule Freiburg, ein Verwaltungs- und Lehrgebäude
des Landes Baden-Württemberg (Abbildung 2). Die Verwaltungsinstitution des KG2,
Vermögen und Bau BadenWürttemberg Amt Freiburg,
plant für dieses Gebäude eine
umfassende energetische Sanierung und unterstützte die
Untersuchung mit Informationen und Verbrauchsdaten
des Gebäudes.
Das KG II wurde im Jahr 1970
und somit vor der Einführung
der ersten Wärmeschutzverordnung erbaut. Neben der
Hauptnutzung als Verwaltungsgebäude befinden sich
im Gebäude Unterrichts- und
Seminarräume, die für den
Lehrbetrieb genutzt werden.
Die Besonderheit des KG II
liegt darin, dass es eine Art
Funktionsbau ist, den es in
dieser Art mehrfach in BadenWürttemberg gibt. Das Gebäude besitzt eine Nettogrundfläche von 4.000 m², die sich auf
4 Geschosse aufteilt. Die Gebäudebeheizung erfolgt über
das hochschuleigene Nahwärmenetz mit direkter Einspeisung in die Heizgruppen des
KG II. Die Wärmeübergabe
erfolgt mittels Heizkörpern,
die über ein Zweirohrnetz mit
Heizungswasser versorgt werden. Das Verteilnetz wurde
seit Erbauung des KG II nicht
erneuert und entspricht somit
dem Standard von 1970. Vorund Rücklauf der Fernwärmeleitung am Hausanschluss
sind mit einem Wärmemengenzähler ausgerüstet; die
monatliche Verbrauchserfassung erfolgt mittels der Gebäudeleittechnik. Eine Warmwasserversorgung sowie eine
aktive Lüftung und Kühlung
sind im KG II nicht installiert.
Die Gebäudehülle ist nach
dem Prinzip der „Bandfassade“ aufgebaut. Diese besteht
abwechseln aus einem Band
massiver Betonplatten mit
darunterliegender Dämmung
(WLG 050, 6 cm) und einem
Fensterband. Die Fassade
weist auffällig große Undichtigkeiten auf, die innerhalb
des Gebäudes teilweise zu
Zugerscheinungen und somit
Komforteinbußen führen.
Die energetische Bewertung
des Gebäudes mit Hilfe des
TEK-Tools umfasst folgende
Schritte:
1) Grafisches Benchmarking
der Verbrauchswerte der
Wärmeträger wie Gas und
Fern-/Nahwärme und
Benchmarking der Verbrauchswerte elektrischer
Energie mit Vergleichswerten aus der EnEV 2009.
2) Vergleich der gemessenen
Verbrauchswerte und berechneter Bedarfswerte
durch Bildung eines Vergleichsfaktors.
3) Berechnung der Energiekennwerte der einzelnen
Gewerke wie Dampf, Kälte,
Lüftung, Heizung, Warmwasser Beleuchtung, Arbeitshilfen und Hilfsenergien auf der Grundlage der
DIN V 18599.
4) Grafische Teilenergiekennwertbewertung der
einzelnen Gewerke mit
Vergleichswerten aus der
EnEV 2009.
Benchmarking der
Verbrauchswerte
Für das Benchmarking werden die Jahresmittelwerte der
Verbrauchswerte aus mindestens drei Jahren für Wärme
und Strom den Vergleichswer-
Abbildung 2: Kollegiengebäude KG II der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Quelle: Fraunhofer ISE.
BHKS-Almanach 2012
71
Benchmarking mit Vergleichskennwerten der EnEV
(100% entspricht Vergleichswert der EnEV ) für bestehende NichtWohngebäude
Index elektrischer Energieverbrauch
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
Energiebezugsfläche
= 4035 m²
20%
0%
0%
20%
40%
60%
80%
100% 120% 140% 160% 180% 200%
Index Brennstoff- bzw. Nah-/Fernwärmeverbrauch
Abbildung 3: Benchmarking des gemessenen Energieverbrauches durch den Vergleich mit den
Referenzwerten aus der EnEV2009 im TEK-Tool.
TEK-Bewertung für gesamtes Gebäude:
Mittel
Primärenergie in KWh/(m²a)
200
Heizung: Mittel
Warmwasser:
Beleuchtung: Gering
Luftförderung:
Kälte:
Dampf:
Hilfsenergie Kälte: Sehr gering
Arbeitshilfen: Gering
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
sehr gering
gering
mittel
hoch
sehr hoch
Energieaufwandsklasse
Hinweis: Blasengröße symbolisiert Höhe des Primärenergiekennwerts
Abbildung 4: Teilenergiekennwertbewertung der einzelnen Gewerke im KG II.
ten der vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung veröffentlichten
7
Bundesministerium für Verkehr,
Bau und Stadtentwicklung. Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der
Vergleich im Nichtwohngebäudebestand. Berlin 2009.
72
Bekanntmachung „Regeln für
Energieverbrauchskennwerte
und der Vergleichswerte im
Nichtwohngebäudebestand“7
gegenübergestellt. Dafür wird
die gesamte Grundfläche des
Gebäudes in dessen unterschiedliche Nutzungskategorien aufgeteilt, d. h. für das
untersuchte KG II-Gebäude
gehören 68 % zur Kategorie
„Verwaltungsgebäude mit
normaler technischer Ausstattung“ und 32 % zur Kategorie
„Hörsaalgebäude“.
Aus der entsprechenden
Aufteilung wird ein für das gesamte Gebäude charakteristischer Kennwert bzw. Index
des Heizwärme- und Strom-
verbrauches gebildet, der mit
erfassten Verbrauchsdaten
aus dem Betriebsjahr 2010
verglichen wird (Abbildung 3).
Der Ist-Wert des untersuchten Gebäudes ist dabei als
Prozentwert der im TEK-Tool
hinterlegten Referenzwerte
aus der EnEV 2009 angegeben, d. h. ein Wert von 100 %
entspricht dem Referenzwert
aus der EnEV 2009, der den
heutigen durchschnittlichen
Standard aufzeigt.
Das Benchmarking der Verbrauchswerte des KG II zeigt,
dass der Wärmeverbrauch bei
einem Index von ca. 120 %
und somit um 20 % über dem
Vergleichswert für diese Bauwerkskategorie liegt. Daraus
folgt ein anzunehmendes,
energetisches Einsparpotential für die Wärmeversorgung.
Die Höhe des Einsparpotentials liegt hier laut Rechnung bei
20 % im Vergleich zu heutigem
Standard, was eigentlich eher
als gering gilt. Beim Vergleich
der Stromverbrauchswerte für
Beleuchtung und Bürogeräte
mit Referenzwerten konnte
beim KG II nur auf Kurzzeitmessungen über einen Zeitraum von zwei Monaten zurückgegriffen werden. Während dieser Messperiode wurde für das Gebäude ein Stromverbrauch von 13.270 kWh gemessen. Aus der Verbrauchsmessung wurde auf Basis von
im TEK-Tool hinterlegten Algorithmen Jahresverbrauchswerte für Strom hochgerechnet (Abbildung 3). Aus dieser
Hochrechung resultiert ein für
das KG II berechneter Jahresstromverbrauch von 92.737
kWh. Das Benchmarking zeigt
bei diesem Verbrauchswert
eine leichte Unterschreitung
des Stromverbrauches im Vergleich zu heutigem Standard.
Die Ursachen dafür liegen
in der geringen technischen
Ausstattung im Bereich der
Gebäudetechnik, d. h. es gibt
keine Lüftungsanlage und keine Gebäudekühlung.
BHKS-Almanach 2012
Technische Trends und Normung
Vergleich Verbrauchs- und
Bedarfswerte
Im nächsten Schritt der
Gebäudeanalyse wird im
TEK-Tool eine Energiebilanzrechung in Anlehnung an die
DIN V 18599 durchgeführt. Im
TEK-Tool selbst stehen dazu
für jedes Gewerk separate Berechnungsblätter zur Verfügung, in denen die einzelnen
Verbraucher wie beispielsweise die Wärmeabgabesysteme,
Lüftungsanlagen oder die Beleuchtungseinrichtung eingegeben und analysiert werden
können. Die Eingabe von Gebäudedaten, die zur energetischen Bewertung und Analyse
notwendig ist, wurde stark
vereinfacht und mit Standardwerten hinterlegt. Anlagen der
technischen Gebäudeausrüstung werden unter Nutzung
von im Gebäude ablesbaren
technischen Daten abgebildet. Diese Vorgehensweise reduziert deutlich den Aufwand
für Erfassung und Abbildung
von Gebäuden und haustechnischen Anlagen. Selbst komplexe Gebäude können so
schnell und effizient abgebildet werden. Als Ergebnis der
Berechnung im TEK-Tool stehen Gesamtverbrauchskennwerte der einzelnen Gewerke
zur Verfügung. Der berechnete Jahresheizwärmebedarf
des Gebäudes KG II beträgt
415.605 kWh bzw. 103 kWh/
(m²a) und weicht damit lediglich 2 % von den gemessenen
Verbrauchswerten ab.
Zusätzlich wurde das Bestandsgebäude KG II ebenfalls mit dem etablierten Programm „Passivhausprojektierungspaket 2007“ (PHPP
20079) analysiert. Der berechnete Jahresheizwärmebedarf beträgt nach PHPP2007
410.613 kWh/a bzw. 101 kWh/
8
9
Institut Wohnen und Umwelt
GmbH (IWU) Darmstadt.
Webseite: tektool.iwu.de.
PHPP Passivhaus ProjektierungsPaket vom Passivhaus Institut
Darmstadt
PHPP Passivhaus
Projektierungs-Paket.
(m²a); das entspricht damit einer Abweichung von 6 % zum
gemessenen Verbrauchswert.
Bestimmung von Energiekennwerten
Auf der Grundlage der Energiebilanzrechung wird mit
dem TEK-Tool die Aufteilung
des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs sowie der CO2Emission für die unterschiedlichen Gewerke dargestellt.
Von der auf dem PH Campus
gelegenen Fern- bzw. Nahwärmeübergabestation müssen
zusätzlich die Wärmemengen
zum Ausgleich der Verteilverluste bereitgestellt werden.
Diese Verteilverluste werden
mittels Angabe des Leitungsnetzes (Länge, Dämmung)
berechnet. Auf diese Weise
können für die einzelnen Gewerke deren Energiekennwerte berechnet und auf den Gesamtprimärenergiebedarf des
Gebäudes aufgeteilt werden.
Bewertung der Teilenergiekennwerte
Durch die Bewertung der
einzelnen Gewerke mit Vergleichswerten kann nun entsprechend eine Schwachstellenanalyse durchgeführt werden. Der Beitrag der einzelnen
Gewerke zum Gesamtprimärenergiebedarf des Gebäudes
wird grafisch dargestellt (Abbildung 4), wobei die Größe
der Blase sowie die vertikale
Position den Anteil der Primärenergie darstellen. Bei der
Teilenergiekennwertbewertung werden die Energiebedarfswerte der Gewerke auf
Zonenebene mit typischen
tabellierten Teilenergiekennwerten verglichen8. Für den
Heizfall wird insbesondere der
Einfluss der Gebäudehülle für
eine Bedarfsreduktion deutlich. Der berechnete mittlere
U-Wert der Gebäudehülle beträgt ca. 2.2 W/(m²K). Der Lüftungswärmeverlust aufgrund
von Undichtigkeit beträgt
im Bestandsgebäude rund
20 kWh/(m²a). Weiterhin gibt
die Analyse der Teilenergie-
BHKS-Almanach 2012
kennwerte einen Hinweis auf
relativ hohe Wärmeverluste
über das Heizungsverteilsystem (16 kWh/(m²a)).
Zusammenfassung
Das Tool „Teilenergiekennwerte“ dient aufgrund seines
einfachen Aufbaus und der
hinterlegten Standardwerte
einer ersten energetischen
Analyse von Bestandsgebäuden. Der Vergleich von
Verbrauchswerten und Referenzwerten ermöglicht eine
schnelle und übersichtliche
Analyse von Schwachstellen
und gibt erste Hinweise auf
Sanierungsmaßnahmen.
Vorteilhaft ist insbesondere
der deutlich reduzierte Arbeitsaufwand für die Eingabe
der Gebäudedaten. Aufgrund
der im TEK-Tool umfangreich
hinterlegten Standard- und
Referenzwerte ist die zeitaufwendige Beschaffung und
Aufbereitung von Gebäudedaten wesentlich geringer.
Auch komplexe Gebäude- und
Verbrauchsstrukturen können
somit schnell abgebildet und
왗
analysiert werden.
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